Yalnızca proteinler için bir parmak izi değil: Kodlamayan RNA’ların önemi Understand article

Hepimiz genetic bilgi akışının DNA → mRNA → protein olduğunu biliyoruz. Ancak bazı genlerin proteinleri değil, önemli hücresel işlevlere sahip RNA'ları kodladığını biliyor muydunuz?

Moleküler biyolojinin merkezi dogmasına göre DNA, haberci RNA’yı (mRNA) oluşturmak için bir şablon olarak kullanılır; bu RNA da vücudumuzdaki dokuları oluşturan ve hücrelerimizin ve organlarımızın ana işlevlerini yerine getiren proteinlere çevrilir. Başka bir deyişle, DNA mRNA’yı, mRNA da proteinleri yapar. İlginç bir şekilde, tüm genomumuzdaki DNA’nın sadece% 2’si proteinleri kodlar! Peki insan genomunun diğer %98’i ne yapıyor? Birçoğunun aslında belirli bir işlevi olmayabilir. Bununla birlikte, 20. yüzyılın ikinci yarısında ve 21. yüzyılın başlarında, bu kodlamayan DNA’nın bir kısmının, yalnızca transkripsiyon için önemli düzenleyici elementleri değil, aynı zamanda birçok hücresel mekanizmada görevleri çeşitli kodlamayan RNA’lar (ncRNA’lar) için diziler içerdiği gösterilmiştir.^[1]

Kodlamayan bazı RNA’ları zaten biliyor olabilirsiniz

Kodlamayan RNA’ların (ncRNA) bilinen ilk sınıfları, 1950’lerde keşfedilen ribozomal (rRNA) ve transfer RNA’lardı (tRNA). tRNA’lar, mRNA dizisini çözüp onu bir amino asit dizisine çevirdikleri için protein sentezi için önemlidir. mRNA’ların bu proteinlere çevirisi ribozomda meydana gelir. Ribozom, büyük ribozomal RNA’lardan ve çoklu ribozomal proteinlerden oluşur (şekil 1). Aslında ribozomlar hücreler için o kadar önemlidir ki, rRNA’lar hücrede en çok bulunan RNA türleridir!

Hem tRNA’lar hem de rRNA’lar, tıpkı proteinler gibi, işlevleri için gerekli olan karmaşık katlanmış 3D yapılara sahiptir.

rRNA’lar ve tRNA’lar, temel hücresel süreçleri sürdürmek için gerekli olan kurucu (housekeeping) ncRNA’lardır. Ancak, ikinci bir kodlamayan RNA grubu 1990’larda keşfedilmiştir. Düzenleyici ncRNA’lar olarak adlandırılan bu RNA’lar, hücrede çeşitli düzenleyici rollere sahiptir. Kodlamayan RNA’ların 200 baz çiftinden küçük olanlarına küçük kodlamayan RNA’lar (sncRNA’lar), 200 baz çiftinden uzun olanlarına ise uzun kodlamayan RNA’lar (lncRNA’lar) denir (Şekil 3) ve her ikisi de işlevlerine göre gruplara ayrılabilir.^[2]

Gen ifadesinin düzenleyicileri olarak RNA’lar

Genomun yalnızca küçük bir kısmını oluşturmalarına rağmen, kodlamayan RNA’ların çeşitli hücresel süreçler için önemli olduğunu artık anlıyoruz. Peki ama bu RNA’lar işlevlerini nasıl yerine getiriyor? Çoğu durumda, ncRNA’ların diğer moleküllerle etkileşime girmesi gerekir. Örneğin, rRNA’lar protein sentezi sırasında proteinlerle etkileşime girer; ancak, neredeyse her tür molekülle de çalışabildikleri görülüyor. RNA’lar diğer RNA’larla bile etkileşime girebilir. Birbirleriyle etkileşime giren RNA’ların en heyecan verici örneklerinden biri, bakteriler ve bazı maya türleri dışında neredeyse tüm organizmalarda bulunan mikroRNA’lardır. MikroRNA’lar sadece 21-23 nükleotitten oluşur ve işlenmeden önce bir saç tokası gibi kendi üzerlerine katlandıkları için ‘saç tokası’ yapılarına sahip olarak tanımlanırlar. Küçük boyutlarına rağmen, kodlayıcı mRNA’ları kesen RNA ile İndüklenen Susturma Kompleksi (RISC) adlı bir proteine bağlanarak hücre içindeki güçlü makaslar için bir kılavuz görevi görürler. MikroRNA’ya bağlı RISC, komplementer bir nükleotid dizisine sahip bir mRNA ile karşılaştığında, mRNA’yı keser ve onun bir proteine translasyonuna engel olur (şekil 4). Günümüzde bilim insanları, belirli bir protein eksiltildiğinde hücrelerin nasıl davrandığını incelemek için deneylerinde rutin olarak bu RNA susturma mekanizmasını kullanmaktadır.^[3]

RNA’nın bir başka büyüleyici rolü de memelilerin kromozomlarında keşfedilmiştir. İnsan hücreleri 23 çift kromozom içerir. Her kromozom çifti için bir kromozomu annemizden, bir kromozomu da babamızdan alırız. Bu, her genin iki kopyasına sahip olduğumuz anlamına gelir ve normal hücre işlevi, iki gen kopyasından çevrilecek protein miktarına dayanır. Bir hücrede belirli bir kromozomdan ikiden fazla ya da az bulunması (21. kromozomun üç kopyasının neden olduğu Down Sendromu gibi) ciddi sağlık sorunlarına yol açabilir. Bununla birlikte, her zaman eşleşmeyen özel bir kromozom çifti vardır: dişi hücrelerde iki X kromozomu veya erkek hücrelerde bir X ve bir Y olarak bulunabilen cinsiyet kromozomları. Peki hücre farklı bireylerdeki farklı sayıdaki X kromozomlarını nasıl idame eder? Bu sorun, ifade edilen X kromozomlarının doğru sayısının her iki cinsiyette de bir tane imiş gibi ayarlanmasıyla çözülür. Erken gelişimde, kodlamayan RNA Xist, XX bireylerde X kromozomlarından birini kaplar ve inaktive eder (Şekil 5). Bu şekilde dişi XX hücreleri erkek XY hücreleri kadar aktif X kromozomu genine sahip olur.^[4]

Veri depolama ve katalizör olarak RNA’lar

RNA’nın işlevlerine dair bu örnekler hücrelerimizin inanılmaz karmaşıklığını göstermektedir. Bu karmaşıklık nasıl evrimleşti? 1986 yılında Walter Gilbert, DNA ve proteinler evrimleşmeden çok önce, ilk biyomoleküler süreçlerin tamamen RNA’ya dayandığını öne sürdü. Bu kavram ‘RNA Dünyası’ hipotezi olarak adlandırılmaktadır.^[5] Bu hipotezi destekleyen bir dizi argüman vardır. RNA moleküllerinin tıpkı DNA gibi genetik bilgi taşıyabildiğini zaten biliyoruz, ancak RNA daha kolay bozulduğu için DNA daha istikrarlı bir depolama sağlıyor. Bununla birlikte, bazı virüsler gibi bazı organizmalar, genomlarını mutasyona daha yatkın olan ve böylece hızlı adaptasyon sağlayan RNA olarak taşırlar ve RNA’nın bu kararsızlığını kendi yararlarına kullanırlar. Dahası, mikroRNA’lar gibi katlanmış bir yapıya sahip olan ancak ek olarak proteinler gibi katalitik bir işleve sahip olan ribozimler adı verilen özel RNA molekülleri vardır. Bu ribozimler proteinleri ve RNA moleküllerini kesebilir veya enzimatik reaksiyonları hızlandırabilirler. Bu da moleküler biyolojinin temel prensibinin DNA→RNA→protein olmasına ragmen, RNA’nın da bu üç işlevi yerine getirebileceği anlamına gelir! Doğada bulunan en ünlü ribozimler çekiç başlı ribozim ve saç tokası ribozimidir (Şekil 6). Bunlar ilk olarak bitki virüslerinde tanımlanmış,^[6] ve buradaki işlevlerinin RNA’ları kesmek ve hatta küçük bulaşıcı parçacıklar üretmek olduğu belirlenmiştir.^[7] Bununla birlikte, araştırmacılar ribozimleri insan hücrelerinde de bulundular ve burada muhtemelen mRNA işleme gibi bir fonksiyonları bulunmaktadır.^[8] Gelecekte, bu ribozimleri kanser ve diğer hastalıkları tedavi etmek için bile kullanabiliriz.^[9]

RNA temelli biyomoleküllerin hücrelerde gerçekleştirebildiği bir diğer işlev de hücreler içinde veya arasında sinyalizasyona aracılık etmektir. Proteinler bu rolü yerine getirebilir, ancak bir dizi küçük sinyal molekülü de vardır ve siklik AMP ve siklik di-GMP, gibi bazı çok önemli olanlar RNA yapı taşlarından yapılır.^[11] Ribozimlerle birlikte bu moleküller RNA Dünyası’nın son kalıntılarını temsil ediyor olabilir!

Ne yazık ki, hücrelerimizdeki bu kalıntıları düşünmek büyüleyici olsa da, yaklaşık 4 milyar yıl önce var olmuş veya olabilecek RNA Dünyası’nın lehinde veya aleyhinde doğrudan kanıt toplamak inanılmaz derecede zor.

Bu sadece bir başlangıç

RNA moleküllerinin hücresel süreçlerdeki işlevlerini ve önemini yeni yeni ortaya çıkarmaya başlıyoruz. Kendi araştırma projem, hücre bölünmesi sırasında kromozomların yüzeyindeki RNA’ların işlevini araştırıyor. Diğer araştırma grupları ise ncRNA’ların hastalıklardaki rolünü ve bunların tıbbi tedavilerde nasıl kullanılabileceğini araştırıyor.^[12] Bilim insanları insan genomunun 3.2 milyar nükleotidinin dizilimini henüz yakın zamanda tamamladılar^[13] ve bunu anlamak için hâlâ yapılacak çok iş var.

Genomu anladığımızı düşünürken, kodlamayan RNA’ların hikayesi aslında doğanın beklediğimizden çok daha karmaşık olduğunu fark ettiğimizi sağlıyor. Doğanın karmaşıklığının ardında gizlenen beklenmedik ve güzel şeyleri fark etmek için meraklı kalmak ve açık fikirli olmak çok önemlidir.

Editor’s note: Some parts of the introduction and conclusion were rephrased to avoid any misunderstanding concerning the nature of ‘junk DNA’, which is not the focus of this article. The title was also modified to better reflect this.

References

[1] ‘Karanlık genomun’ rolü üzerine bir BBC Future makalesi: https://www.bbc.com/future/article/20230412-the-mystery-of-the-human-genomes-dark-matter

[2] Palazzo AF, Lee EW (2015) Non-coding RNA: what is functional and what is junk? Frontiers in Genetics 6: 2. doi: 10.3389/fgene.2015.00002

[3] Filipowicz W et al. (2005) Post-transcriptional gene silencing by siRNAs and miRNAs. Current Opinion in Structural Biology 15: 331–341. doi: 10.1016/j.sbi.2005.05.006

[4] UCLA News web sitesinde X kromozomunun inaktivasyonu üzerine bir makale: https://newsroom.ucla.edu/releases/rna-silences-x-chromosome

[5] Higgs P, Lehman N (2015) The RNA World: molecular cooperation at the origins of life. Nat Rev Genet 16: 7–17. doi: org/10.1038/nrg3841

[6] Fedor MJ (2000) Structure and function of the hairpin ribozyme. J Mol Biol 297: 269–291. doi: 10.1006/jmbi.2000.3560

[7] Hammann C et al. (2012) The ubiquitous hammerhead ribozyme. RNA 18: 871–885. doi: 10.1261/rna.031401.111

[8] de la Peña M, García-Robles I (2010). Intronic hammerhead ribozymes are ultraconserved in the human genome. EMBO Rep. 11: 711–716. doi: 10.1038/embor.2010.100

[9] Advanced Science News‘de genetik terapi olarak trans-splicing ribozim üzerine bir makale: https://www.advancedsciencenews.com/therapeutic-applications-group-intron-based-trans-splicing-ribozymes/

[10] Lee K-Y, Lee B-J (2017) Structural and Biochemical Properties of Novel Self-Cleaving Ribozymes. Molecules 22: 678. doi: 10.3390/molecules22040678

[11] Nelson JW, Breaker RR (2017) The lost language of the RNA World. Sci Signal 10: eaam8812 doi:10.1126/scisignal.aam8812

[12] Bhatti GK et al. (2021) Emerging role of non‐coding RNA in health and disease. Metab Brain Dis 36: 1119–1134. doi: 10.1007/s11011-021-00739-y

[13] Tam bir insan genomunun ilk dizilimi üzerine bir BBC Future makalesi:  https://www.bbc.com/future/article/20230210-the-man-whose-genome-you-can-read-end-to-end

Resources

• Transkripsiyon ve translasyonun güzel bir 3D animasyonunu izleyin.
• miRNA’nın üretimi ve işlevine ilişkin bir 3D animasyon görüntüleyin.
• RNA Dünyası‘nın hala çok aktif olan bir araştırma alanındaki hipotezlerden sadece biri olduğunu vurgulayan Nature News makalesini okuyun.
• inci haberci sinyal molekülleri olarak kullanılan siklik dinükleotidlerin kilit rolü ve sağlık alanındaki potansiyeli hakkında bir makale okuyun:  Römling U, Gekara N (2022) Ancient signal-sensing mechanisms based on cyclic dinucleotide molecules may lead to breakthroughs in human healthcare. Science in School 56.
• Erken Dünya araştırmaları hakkında daha fazla bilgi edinin: Extance A (2020) Finding the recipe for life on Earth. Science in School 49: 13–19.
• Protein yapılarını çözmek ve tahmin etmek için kullanılan farklı teknikler hakkında bir makale okuyun: Heber S (2021) From gaming to cutting-edge biology: AI and the protein folding problem. Science in School 52.
• Tıklama kimyası ve biyomoleküller üzerindeki kullanımı hakkında bilgi edinin: Godinho T (2022) Click does the trick: understanding the 2022 Nobel Prize in Chemistry. Science in School 60.
• Genom rekonstrüksiyonunu açıklamak için yapbozların kullanıldığı bir oyun oynayın: Mastrorilli E (2021) Microbial genome puzzles. Science in School 51.
• Araştırma projelerinin nasıl finanse edildiğini ve temel araştırmanın önemini anlamak için bu rol yapma etkinliğini deneyin: McHugh M (2022) What is it good for? Basic versus applied research. Science in School 55.
• Öğrencilere biyolojik veri tabanlarından bir genle ilgili verilerin nasıl toplanacağını öğretin: Grazioli C, Viale G (2022) A chromosome walk. Science in School 57.

Institutions

Author(s)

Zuzana Koskova, Heidelberg’deki Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’nda (EMBL) doktora öğrencisidir. Almanya’daki Heidelberg Üniversitesi’nden Biyobilimler alanında lisans ve Moleküler ve Hücre Biyolojisi alanında yüksek lisans derecesine sahiptir. Bilimsel projelerinde, RNA-bağlayıcı proteinler ve hücre bölünmesinde rol oynayan kodlamayan RNA’lar üzerinde çalışmıştır.

Miguel Hernandez, Heidelberg Üniversite Hastanesi’nde sistem biyotıbbına odaklanan bir kompütasyonel laboratuvarda doktora öğrencisidir. Meksika’daki Guadalajara Üniversitesi’nden Biyoloji alanında lisans ve Almanya’daki Heidelberg Üniversitesi’nden Moleküler ve Hücresel Biyoloji alanında yüksek lisans derecesine sahiptir. Miguel biyolojiye tutkuludur ve çalışmaları insan hastalıkları bağlamında immünoloji ve gen düzenlemesi üzerine odaklanmaktadır.

Review

Bu makale Moleküler biyoloji, Hücre biyolojisi ve Nükleik asitler müfredat konuları ile ilgilidir ve daha yetenekli öğrencileri müfredatın ötesine taşımak için kullanılabilir.

Kavrama soruları

• İnsan genomunun bir kısmı neden önemsiz (çöp) DNA olarak tanımlandı?
• Kodlamayan RNA nedir?
• Hücrede en bol bulunan RNA türü hangisidir?
• MikroRNA nedir?
• MikroRNA bir hücredeki protein miktarını nasıl düzenler?
• RNA susturma, bilim insanlarının protein işlevini incelemesine nasıl olanak tanır?
• Xist nedir ve işlevi nedir?
• Xist’in insan dişi hücrelerindeki önemi nedir?
• RNA’nın kararsız doğası virüsler için neden yararlıdır?

Hücredeki en önemli molekülün hangisi olduğu konusunda bir sınıf tartışması yürütmek güzel bir eklenti olabilir – DNA mı, RNA mı, protein mi?

Kathy Freeston, Biyoloji öğretmeni, East Leake Academy, Birleşik Krallık

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF